Tìm Hiểu Về Các Ứng Dụng Của Load Cell.docx

- Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp:Công nghệ sử dụng: Các thế bào tảiload cell LSB and LCF Series kết hợp với các thiết bị địnhhướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đề tài:

Giảng viên hướng dẫn: Đoàn Thị Hương Giang Sinh viên thực hiện : Nhóm 6 – K54M

Hà Nội,4/2012

Các thành viên nhóm 6

việc

A TÌM HIỂU CHUNG VỀ LOAD CELL

1 Khái niệm Load cell

1.1 Khái niệm

Load cell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoăc trọng lượng

thành tín hiệu điện

Khái niệm “strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác

động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này

Load cell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lựcbiến thiên chậm Một số trường hợp load cell được thiết kế để đo lực tác độngmạnh phụ thuộc vào thiết kế của load cell

Hình 1: Một số loại load cell thông dụng

2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2.1 Cấu tạo

Load cell được cấu tạo bởi hai

thành phần, thành phần thứ nhất là

"Strain gage" và thành phần còn lại là

"Load" Strain gage là một điện trở đặc

biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở

thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được

nuôi bằng một nguồn điện ổn định,

được dán chết lên “Load” - một thanh

kim loại chịu tải có tính đàn hồi

Hình 2: Cấu tạo của Button Load cell

2.2 Nguyên lý hoạt động

Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lựctác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả vềtín hiệu điện áp tỉ lệ

Hình 3: Mạch cầu Wheatstone

3 Thông số kĩ thuật cơ bản

- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụ

thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp

- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà load cell có thể đo được.

- Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra load cell được bù vào, nếu nằm

ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩthuật được đưa ra

- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm

và bụi)

- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của load cell (thông thường đưa ra giá trị lớn

nhất và giá trị nhỏ nhất 5 - 15 V)

- Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả.

Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng

- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi load cell

chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải

- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V Giá trị cách điện giữa

lớp vỏ kim loại của load cell và thiết bị kết nối dòng điện

- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà load cell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.

- Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV).

- Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong

điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải

- Quá tải an toàn: là công suất mà load cell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công

suất)

- Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi

công suất của load cell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa lànếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của load cell tăng thêm0.01%)

- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ

không tải

4 Phân loại

 Có thể phân loại loadcells như sau:

- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (Tension Loadcell)

- Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữS…

- Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn

 Một số hình ảnh về các loại load cell:

Hình 4: Load cell kiểu Z (S)

Hình 3: Load cell kiểu uốn

Hình 4: Load cell nút bấm (kiểu nén)

Hình 5: Single point Load cell

Hình 6: Miniature Load cell (loại bé)

5 Ứng dụng của load cell.

 Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của load cell là được sử dụng trongcác loại cân điện tử hiện nay

Hình7: Cân kĩ thuật

Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tớinhững chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải

Hình 8: Cân xe tải

 Một số ứng dụng khác:

- Trong ngành công nghệ cao:

Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại load cell cỡ nhỏ cũngđược cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn Như hình minh hoạ, loại loadcel này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo vàlực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên

- Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp:

Công nghệ sử dụng:

Các thế bào tải(load cell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị địnhhướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC

Sơ lược hoạt động:

Các load cell được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong côngnghiệp để phân phối đều trọng lượng sản phẩm. Như thể hiện trong sơ đồ dướiđây, load cell được lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân

phối khối lượng vào từng bao bì một cách chính xác.

Hệ thống hoạt động:

 Một tế bào tải được kết nối với thiết bị đo cần thiết

 Khi khối lượng sản phẩm cho phân phối vào thùng đủ yêu cầu, load cell

sẽ phát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc

 Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phối thùngchứa để xuất thùng chứa

 Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phốisản phẩm tiếp tục hoạt động

- Ứng dụng trong cầu đường:

Các load cell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầutrong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽđược gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu sau đó số liệu sẽ được xuất

ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD Từ đó có sự cảnh báo về

độ an toàn của cầu Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời

6 Các loại Load cell cơ bản

6.1 Load cell tương tự

a) Khái niệm

Load cell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện gọi là load celltương tự Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đolường như bộ chỉ thị

Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V Đầu ra kết hợpđược tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell Các thiết bị đo lườnghoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lývới phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc

được lên màn hình Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phépgiao tiếp với các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in.

b) Ưu điểm và nhược điểm

 Ưu điểm:

Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với nhữngtham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụngcủa người dùng Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khácnhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng

Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén(compression)…

 Nhược điểm:

Tín hiệu điện áp đầu ra của load cell rất nhỏ(thường không quá 30mV).Những tín hiệu nhỏ như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trongcông nghiệp như:

Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môitrường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc doquá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn…

Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt

độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn

Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa load cellvới thiết bị đo lường càng tốt Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảmthiểu dung sai đầu ra của load cell Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không chophép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ Trong khi nối song song nhiều loadcell với nhau, mỗi load cell tải với một đầu ra độc lập với các load cell kháctrong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụthuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra với từng load cell riêng biệt.Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những hệ thống yêu cầu

độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân tank, cânxilô…

Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều load cell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu

ra trung bình của từng load cell Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tượng có loadcell bị lỗi mà không được nhận biết Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trongviệc xác định load cell nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểmtra, hay yêu cầu sử dụng các thiết bị đo lường như đồng hồ volt-ampe với độchính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy đang hoạt động liên tục

Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thốngcân như:

 Quá trình chỉnh định hệ thống

 Nhiễu rung và ồn

 Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống

 Quá trình phân tích dò tìm lỗi

 Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan

 Đi dây cáp tín hiệu dài

 Môi trường hoạt động quá kín

Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hìnhhóa trong quá trình phân tích và thiết kế Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗinơi rất khác nhau, thiết bị đo ở cách xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu, dễ bịtiêu hao và nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắcnghiệt trong nhà máy và xí nghiệp Tín hiệu đưa về đến thiết bị đo lường khóphản ảnh trung thực giá trị thực tế

Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp,năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh địnhcác số liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản Do các bộ hiển thị

sử dụng với nhiều loại load cell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉmang tính tương đối, không triệt để, đặc biệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tínhnăng bù sai lệch do nhiệt độ Chức năng lọc nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đocủa các thiết bị này còn rất kém Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đókhông thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cânđộng) như các hệ thống cân bằng liên tục,…

6.2 Load cell số

a) Khái niệm, sự ra đời

Thời gian ra đời: Từ cuối những năm 1970

Về cơ bản load cell số là sự tích hợp giữa load cell tương tự với công nghệđiện tử hiện đại

Ban đầu, khi khái niệm load cell số mới ra đời, nhiều người hiểu lầm là cácload cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể được sử dụng để chuyển đổimột load cell chất lượng thấp lên một load cell chất lượng cao Thực tế thì ngượclại, mỗi load cell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp

- Thứ nhất: Phải có một load cell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khả

năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc

- Thứ hai: Phải có một bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ

cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số

- Thứ ba: Phải có hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình

chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất vàgiao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin

Hình 9: Cấu trúc cơ bản một loại load cell số

b) Hoạt động:

Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đếnđầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế,một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được

sử dụng để đo nhiệt độ thực của load cell phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ

Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm vàmột số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số dokhông tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnhhưởng của nhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữ liệu kết quả đầu ra được

truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định Các module điện tử này có thể được đặt ngay trong loadcell, load cell cable hoặc trong hộp junction box Các đặc tính tới hạn của từng load cell được đặt trong EEPROM nằm trong

module của load cell đó, điều đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số đượcthực hiện ngay tại load cell, với chính load cell đó, cũng có nghĩa là phép bù sai sốđược thực hiện khá triệt để

Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các load cell số nối với máy tính,PLC hoặc thiết bị đo như bộ hiển thị Bên trong hệ thống, mỗi load cell độc lập cóthể được nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó Địa chỉ làm việc đó có thể đượccài đặt do người lập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung cấp bởi nhà máy.Thông thường địa chỉ “0” được sử dụng như là một địa chỉ làm cho tất cả các loadcell trả lời, trong khi các số nối tiếp của load cell có thể được sử dụng để yêu cầumột địa chỉ xác định

Các load cell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểuMaster/Slave, ở đó định nghĩa một thiết bị (thường là PC hoặc indicator) là mastertrên mạng Có hai chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất cả các quá trìnhtruyền phát bằng cách giao tiếp với từng slave một cách tuần tự, hoặc master gửi

dữ liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉ tuần tự Chế độ thứ nhất có ưu điểmtrong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ hai hướng đến tốc độ giao tiếp.Hầu hết các load cell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặc RS422 Cả hai kiểu giaothức đều có các đặc tính tương tự nhau cung cấp một môi trường multi-drop Việcgiao tiếp giữa các thiết bị nối trên mạng dựa trên giao thức quy định bởi nhà sảnxuất Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống load cell tương tự và số làmặc dù nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạt động như là một thiết bị độc lập

c) Ưu điểm và nhược điểm

 Ưu điểm:

- Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổinhiệt độ thất thường trên đường dây cable dẫn

- Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m

- Dễ dàng thay thế load cell

- Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thịkhi cần

- Mỗi load cell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó có thể

và đơn giản, tiết kiệm thời gian

- Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định màkhông cần tải chết

- Load cell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại

- Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 đều có thể tham gia vào hệ thống

- Nhiều hệ thống có thể kết nối và điều khiển bởi một trạm Chỉ đơn giản là

mở rộng đường dây cable Tiết kiệm phần cứng phần mềm dễ dàng phát triển.Những ưu điểm của hệ load cell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xáccao và chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằmphân tán trên phạm vi rộng

7 Kết nối load cell

7.1 Load cell tương tự

Hình 10: Sơ đồ đấu dây

Trong đó:

+Excitation (Điện áp kích thích) là đầu vào dương của điện áp cung cấp

–Excitation là đầu vào âm của điện áp cung cấp

+Output là tín hiệu ra dương của load cell

–Output là tín hiệu ra âm của load cell

+sense và –sense là các dây dẫn đựoc nối trực tiếp với Excitation Nói chung

để tránh nhiễu Có loại Loadcell thì có, có loại thì không Có thể nối cũng dược

mà không nối cũng được Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo là nên nối

7.2 Load cell số

Load cell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau Dưới đây là 4

mô hình ứng dụng điển hình

Chú ý: Đầu ra của loadcell số có thể được thiết kế theo giao diện Profilebus

PC, DeviceNet, EtherNet/IP, ModBus, RS232,RS422,RS485, 4-20mA, 0-10VDC Thậm chí có cả giao tiếp qua cổng USB Nên ta có thể tùy chọn loại Loadcell có giao diện phù hợp và có thể kết nối trực tiếp đến PLC, PC,…